非线性光学中多光子吸收介质的光学信息记录

在激光技术出现后的相当一段时期内，利用高度定向聚焦激光束，可在线性（单光子）吸收介质中实现二维信息存储，这就是至今仍在广泛使用的用于音频、视频和计算机软件记录的所谓光盘（碟）技术。由线性吸收机理所决定的记录光束的穿透能力，一般局限在记录介质的浅薄面层内，因此难以实现多层次的三维数据记录和读取。

在采用线性吸收介质表层进行数据记录的情况下，每一单独光学记录数据点的横向尺寸，受到入射光束发散角以及聚焦光学装置分辨率的限制。在最好的情况下，假设记录光束发散角已压缩到等于衍射极限角，则用短焦距显微物镜聚焦后能得到的最小光斑尺寸为

式中，λ是所用的光在空气中的波长，n是透镜物空间介质折射率，θ0是物镜的会聚角，而n·sinθ0=NA是物镜的数值孔径。即使在使用油浸物镜的条件下，可得到的NA值也只能为0.8～1.4，因此所能达到的最小光斑记录尺寸只能接近于入射波长的量级。在激光波长为可见或近红外的情况下，二维光学存储密度可达108 bit/cm2量级。

21世纪初前后，随着对多光子吸收过程研究的深入和对更多新型多光子吸收材料的开发，研究者们开始积极探索可实现三维光学数据存储的崭新途径，这就是基于在多光子吸收介质中实现多层式的数据存储和读取。按照这一新的途径，人们可选择适当的块状或者厚片状的多光子吸收介质，采用适当波长的聚焦激光束进行分层式扫描记录和随后的读取。与线性吸收介质的情况不同，多光子吸收概率与局部光强的多次幂成正比，因此在远离焦点的区域，多光子吸收和由它引起的介质物理/化学变化完全可以忽略，而只有在焦点附近的极小空间范围内，由多光子吸收以及由此产生的纪录介质的特性（密度或折射率、透过率、吸收或发射能力）的变化才能有效产生。利用十分成熟的扫描显微镜技术，可在选定多光子吸收介质内实现多层的或三维方向上的信息记录。一般来说，对记录介质内同一层次的二维信息存储而言，单个记录点的大小与用于“书写”的聚焦激光束的焦点横向光强分布有关。在单光子吸收的情况下，介质在该处的反应决定于光强分布的一次方，在双光子吸收或三光子吸收的情况下，则决定于光强分布的二次方或三次方。

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图14-29　特征尺寸为1 μm的高斯型横向光强分布曲线（实线），短划线和点划线分别为上述曲线经平方和立方运算后的归一化分布曲线

图14-29为假设焦点处的特征尺寸为1 μm，并具有高斯线形的归一化横向光强分布曲线（实线）以及经平方运算和立方运算后的曲线分布。由它们之间的对比可以看出，采用双光子吸收介质或三光子吸收介质，可以得到更小的单个数据记录点。同样的考虑，亦适用于多光子吸收介质内纵向记录空间分辨率的分析。此时，沿纵向的两相邻记录层面的最小距离，决定于用于记录书写的聚焦激光束的有效焦深。只要相邻两层记录面的间距大于上述有效焦深，则不同记录层面间的记录信息不会彼此混淆。

图14-30为经过一个数值孔径NA=0.8的显微物镜聚焦后的光束，在其焦平面前后的光束剖面包络线沿传播方向（纵向）的变化曲线。其中实线对应于焦点光斑尺寸为1.5μm，而虚线则对应于焦斑尺寸为1.0μm的情形。这里假设在焦点前后光束剖面包络线取双曲线形。如果进一步把几何焦深定义为在焦点前后光束尺寸增大为焦斑尺寸一倍时前后两位置处的间距，则与上述两种焦距尺寸对应的焦深分别为Δzf≈2.0μm以及Δzf≈1.4μm。由此粗略估算可见，在最好的情况下，聚焦光束的几何焦深可近似控制在最小焦斑尺寸的1.5倍左右。实际上，考虑到多光子介质为纪录光学信息所产生的性能变化，是与焦点前后光强变化的高次幂成正比，因此聚焦激光束的有效焦深可进一步比其几何光学焦深更短，从而有利于提高光学数据的纵向存储密度。按目前技术发展水平，多层记录的纵向间隔可压缩到1.5μm左右，故总的三维数据存储密度可高达6.7×1011 bit/cm3左右。

图14-30　具有双曲线形的聚焦光束在焦平面前后的光束截面纵向变化规律（实线对应于特征焦点尺寸为1.5 μm，虚线对应于焦点尺寸为1.0 μm）